JPH10319237A - 体積ホログラム光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 反射率の高い体積ホログラム液晶素子を提供
する。 【解決手段】 高分子化合物よりなる高分子層と高分子
化合物中に液晶が分散した高分子液晶層とが交互に積層
された構造を有する液晶・高分子複合膜素子よりなる体
積ホログラム光学素子であって、高分子化合物が少なく
ともフッ素含有重合性化合物をモノマー成分として含む
高分子化合物である。上記液晶・高分子複合膜素子は、
２枚の電極板で挟持されて体積ホログラム光学素子が構
成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電場や磁場等の印
加によって光反射性を制御することが可能な体積ホログ
ラム光学素子に関するものである。本発明によって作製
された体積ホログラム光学素子は、ディスプレイ、ダイ
クロイックミラー等の光学素子として応用可能である。

【０００２】

【従来の技術】体積ホログラム光学素子として、高分子
化合物中に屈折率の異なる層が層状に積層された位相型
体積ホログラム光学素子が知られている。例えば、ＳＰ
ＩＥ．１０８０，８３，（１９８９）、特開平４−１７
８６２４号公報および特開平４−３５５４２４号公報に
は、液晶分散型高分子素子を体積ホログラム光学素子に
応用した素子が報告されている。この素子は、液晶分散
型高分子素子内部で屈折率が周期的に変化する層構造を
有する体積ホログラム光学素子（ＨＰＤＬＣ）であっ
て、具体的には、高分子層と高分子液晶層とを交互に積
層した構造のものを作製することにより、屈折率が周期
的に変化する層構造を実現している。図１は、体積ホロ
グラム光学素子の模式的断面図であって、１対の透明電
極２を有する透明基板１の間に高分子化合物よりなる高
分子層３と高分子液晶層４とが交互に積層した構造の液
晶・高分子複合膜素子が挟まれた構造を有している。こ
の体積ホログラム素子は、電圧が印加されない状態で
は、周期的な高分子液晶層と高分子化合物よりなる高分
子層との屈折率差に起因する干渉フィルタの原理によっ
て反射光を生じる（図１ａ）。電圧が印加されると、高
分子液晶層と高分子化合物よりなる高分子層との屈折率
が一致して透明になる（図１ｂ）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図１に示すように、体
積ホログラム光学素子（ＨＰＤＬＣ）においては、電界
のオン／オフにより、液晶ドロップレットと高分子化合
物の屈折率差を変化させることによって、光の反射／透
過を制御している。したがって、液晶と高分子の屈折率
差が体積ホログラム光学素子の光学特性に大きく影響し
てくる。しかしながら、従来の技術においては、液晶と
高分子の屈折率差が大きくならず、十分な光学特性を有
する体積ホログラム光学素子を作製することができなか
った。本発明は、従来の技術における上記の問題に鑑み
てなされたものである。したがって、本発明の目的は、
反射率の高い体積ホログラム光学素子を提供することに
ある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は、以
下の構成を有する体積ホログラム光学素子を提供するこ
とによって達成することができる。即ち、本発明の体積
ホログラム光学素子（ＨＰＤＬＣ）は、高分子化合物よ
りなる高分子層と高分子化合物中に液晶が分散した高分
子液晶層とが交互に積層された構造を有する液晶・高分
子複合膜素子よりなるものであって、その高分子化合物
が少なくともフッ素含有重合性化合物をモノマー成分と
して含む高分子化合物であることを特徴とする。

【０００５】本発明の液晶・高分子複合膜素子よりなる
体積ホログラム光学素子の作製方法としては、塗布法や
定在波重合相分離法が使用できるが、作製工程数が少な
いこと、非常に精密な塗布技術を必要としないこと等の
点で、定在波重合相分離法が好ましい。すなわち、少な
くともフッ素含有重合性化合物をモノマー成分として含
む重合性組成物を用いて、定在波重合相分離法で硬化さ
せることによって作製するのが好ましい。

【０００６】定在波重合相分離法では、まず、試料とし
て、フッ素含有重合性化合物と低分子液晶、および重合
開始剤を混合した重合性組成物をセルに注入する。この
セルにレーザーの定在波を照射して相分離を起こさせ
る。試料にレーザーの定在波を照射すると、定在波の振
幅の大きな領域では重合性化合物の硬化が起こり、高分
子層が形成される。また定在波の振幅の小さな領域では
重合相分離が起こり、高分子液晶層が形成される。定在
波の振幅の大きな領域と小さな領域は、定在波では交互
に繰り返されるために、結果的に“高分子化合物よりな
る高分子層と高分子化合物中に液晶が分散した高分子液
晶層とが交互に積層された構造”が形成される。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明で用いられるフッ素含有重
合性化合物は、単にフッ素を含んでいるだけではなく、
重合して高分子となるための重合性基、例えば、アクリ
ロイル基やメタクロイル基等の重合性基を成分として含
む必要がある。具体的なフッ素含有重合性化合物として
は、ヘキサフルオロイソプロピルアクリレート、ヘキサ
フルオロイソプロピルメタクリレート、２，２，３，
３，４，４−ヘキサフルオロブチルアクリレート、２，
２，３，３，４，４−ヘキサフルオロブチルメタクリレ
ート、１Ｈ，１Ｈ，９Ｈ−ヘキサデカフルオロノニルア
クリレート、１Ｈ，１Ｈ，９Ｈ−ヘキサデカフルオロノ
ニルメタクリレート、２，２，３，３−テトラフルオロ
プロピルアクリレート、２，２，３，３−テトラフルオ
ロプロピルメタクリレート、１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−
パーフルオロオクチルアクリレート、１Ｈ，１Ｈ，２
Ｈ，２Ｈ−パーフルオロオクチルメタクリレート、２−
（パーフルオロ−ｎ−ドデシル）エチルアクリレート、
２−（パーフルオロ−５−メチルヘキシル）エチルメタ
クリレート、２−（パーフルオロ−７−メチルオクチ
ル）エチルアクリレート、２−（パーフルオロ−７−メ
チルオクチル）エチルメタクリレート、２−（パーフル
オロブチル）アクリレート、２−（パーフルオロブチ
ル）メタクリレート、１Ｈ，１Ｈ−ペンタフルオロプロ
ピルアクリレート、１Ｈ，１Ｈ−ペンタフルオロプロピ
ルメタクリレート、ペンタフルオロベンジルアクリレー
ト、ペンタフルオロベンジルメタクリレート、１Ｈ，１
Ｈ−ペンタデカフルオロオクチルアクリレート、１Ｈ，
１Ｈ−ペンタデカフルオロオクチルメタクリレート等の
アクリレート化合物およびメタクリレート化合物があげ
られる。

【０００８】また、本発明に使用される重合性組成物に
おいては、少なくとも前記のフッ素含有重合性化合物を
モノマー成分として含むが、それ以外にも種々の重合性
化合物を組み合せて使用することができる。例えば、ア
クリル酸アルキルエステル、アクリルアミド、アクリル
酸ヒドロキシアルキルエステル、メタクリル酸アルキル
エステル、メタクリルアミド、メタクリル酸ヒドロキシ
アルキルエステル、ビニルピロリドン、スチレンおよび
それの誘導体、アクリロニトリル、塩化ビニル、塩化ビ
ニリデン、エチレン、ブタジエン、イソプレン、ビニル
ピリジン等の単官能および多官能モノマーが好ましく用
いられる。これらの重合性化合物は、１種または２種以
上を組み合せて使用することができる。

【０００９】前記のフッ素含有重合性化合物を単独重合
したり、フッ素含有重合性化合物と上記重合性化合物と
を共重合することによって低屈折率の高分子化合物を作
製することができる。単独重合と共重合とを比較した場
合、定在波重合相分離法による重合速度が速いという点
で、フッ素含有重合性化合物と重合性化合物とを共重合
する方がより好ましい。その場合におけるフッ素含有重
合性化合物の重合性化合物に対する共重合比は、実際に
使用するフッ素含有重合性化合物の主鎖の長さやフッ素
置換率等によって異なるが、１％ないし８０％の範囲
で、より好ましくは５％ないし５０％の範囲で使用でき
る。フッ素含有重合性化合物の含有量が１％より小さく
なると、重合後の高分子化合物の屈折率が小さくなる効
果が少なくなる。また８０％より多くなると、屈折率は
小さくなるものの、高分子化合物の重合速度が遅くな
り、体積ホログラム光学素子の上記構造が形成できない
場合がある。

【００１０】本発明における高分子化合物の屈折率は、
理想的には、１．３０〜１．５０の範囲で制御すること
ができる。ただし、実際は液晶との混合液である重合性
組成物から液晶成分と高分子成分に相分離させるため
に、厳密には、相分離の割合により高分子化合物の屈折
率が変化し、屈折率も多少変化する。

【００１１】また、本発明における上記重合性組成物に
は、重合性化合物を重合させる目的で重合開始剤が含ま
れる。重合開始剤は、定在波重合相分離法で使用するレ
ーザーの波長に感度を有する材料であれば特に限定され
るものではない。また、レーザーに対する感度向上の目
的で、増感剤または反応助成剤を混合することも可能で
ある。

【００１２】本発明において、液晶としては、ネマチッ
ク液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶、およ
び強誘電性液晶等、一般的に電界駆動型表示材料として
使用されている種々の液晶材料が使用可能である。具体
的にはビフェニル系、フェニルベンゾエート系、シクロ
ヘキシルベンゼン系、アゾキシベンゼン系、アゾベンゼ
ン系、ターフェニル系、ビフェニルベンゾエート系、シ
クロヘキシルビフェニル系、フェニルピリミジン系、シ
クロヘキシルピリミジン系等の各種液晶化合物があげら
れる。これらの液晶化合物は、一般に使用されている液
晶材料と同様に、単一の組成である必要はなく、複数の
成分から構成された混合物であってよい。

【００１３】本発明において、上記高分子化合物よりな
る高分子層および高分子液晶層は、それぞれ厚みが１０
０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内にあるのが好ましい。

【００１４】また、本発明でのデバイス形態としては、
通常の液晶表示素子と同様に、２つの電極板からなるセ
ルに挟まれた構造が好ましい。電極板としては、例え
ば、表面にＩＴＯを施したガラス基板およびプラスチッ
クフィルム、ＮＥＳＡガラス基板等の透明電極付基板が
好ましく使用される。

【００１５】本発明の体積ホログラム光学素子は、高分
子化合物よりなる高分子層と高分子化合物中に液晶が分
散した高分子液晶層とが交互に積層された構造を有する
液晶・高分子複合膜素子よりなり、上記高分子化合物が
少なくともフッ素含有重合性化合物をモノマー成分とし
て含むものであるため、重合されて作製される高分子化
合物自身の屈折率が低下することによって、高分子化合
物と液晶の屈折率差が増大し、体積ホログラム光学素子
の反射率が向上する。

【００１６】なお、高分子化合物自身の屈折率が低下す
るために液晶ドロップレットと高分子化合物の界面での
光散乱が増加し、体積ホログラム光学素子の光学特性が
低下する懸念もあるが、本発明の体積ホログラム光学素
子においては、各層の厚みが１００ｎｍ〜２００ｎｍ程
度であり、そして液晶ドロップレットのサイズも１００
ｎｍ〜２００ｎｍ程度であるので、可視光（４００ｎｍ
〜７００ｎｍ）を回折する場合、光学特性には殆ど影響
は生じない。何故ならば、Ｍｉｅの散乱理論からも分か
るように、このサイズの液晶ドロップレットの場合、フ
ッ素含有重合性化合物と液晶の屈折率差程度では光散乱
性が弱く、体積ホログラム光学素子の光学特性には影響
が小さいからである。

【００１７】

【実施例】

実施例１ フッ素含有重合性化合物として１Ｈ，１Ｈ−ペンタフル
オロプロピルアクリレート０．０６ｇ、重合性化合物と
してジペンタエリスリトールヘキサアクリレート０．５
０ｇとビニルピロリドン０．１０ｇ、重合開始剤として
ローズベンガル３．５ｍｇとｎ−フェニルグリシン７ｍ
ｇ、液晶Ｅ７（メルク社製）０．３ｇとを混合し、重合
性組成物を調液した。透明電極（ＩＴＯ）付きガラス基
板を対向して張り合わせたセルに重合性組成物を注入し
た。このセルに４８８ｎｍのＡｒイオン・レーザー光を
２光束に分け、それぞれセルの裏表からセル表面に照射
した。これら２光束はセル内で定在波を形成した。この
レーザー光を１０分間照射して、体積ホログラム光学素
子を作製した。なお、このＨＰＤＬＣの高分子化合物の
屈折率は、フッ素含有重合性化合物と重合性化合物の組
成比と屈折率から、１．４８と推定される。

【００１８】実施例２ フッ素含有重合性化合物として、ヘキサフルオロイソプ
ロピルアクリレート０．１２ｇ、重合性化合物としてＤ
ＰＣＡ２０（ジペンタエリスリトールヘキサカプロラク
タムアクリレート、日本化薬社製）０．３８ｇとビニル
ピロリドン０．０４ｇ、重合開始剤としてＣＧＩ７８４
（チバスペシャリティケミカルズ社製）３．５ｍｇとｎ
−フェニルグリシン１ｍｇ、液晶Ｅ８（メルク社製）
０．３ｇとを混合し、重合性組成物を調液した。透明電
極（ＩＴＯ）付きガラス基板を対向して張り合わせたセ
ルに重合性組成物を注入した。このセルに４８８ｎｍの
Ａｒイオン・レーザー光を２光束に分け、それぞれセル
の裏表からセル表面に照射した。これら２光束はセル内
で定在波を形成した。このレーザー光を１０分間照射し
て体積ホログラム光学素子を作製した。なお、このＨＰ
ＤＬＣの高分子化合物の屈折率は、フッ素含有重合性化
合物と重合性化合物の組成比と屈折率から、１．４７と
推定される。

【００１９】比較例１ １Ｈ，１Ｈ−ペンタフルオロプロピルアクリレートを用
いないこと以外は、実施例１と同様にして体積ホログラ
ム光学素子を作製した。なお、この体積ホログラム光学
素子の高分子化合物の屈折率は、重合性化合物の屈折率
から、１．５０と推定される。

【００２０】比較例２ ヘキサフルオロイソプロピルアクリレートを用いないこ
と以外は、実施例２と同様にして体積ホログラム光学素
子を作製した。この体積ホログラム光学素子の高分子化
合物の屈折率は、重合性化合物の屈折率から、１．５０
と推定される。

【００２１】＜試料の反射特性評価実験＞評価試料の反
射率は、ゴニオメーターヘッドを用いたΘ−２Θ光学系
と、白色光光源とスペクトロメーターを組み合せた評価
装置で評価した。

【００２２】＜反射特性の評価結果＞反射率の評価結果
を表１に示す。また、フッ素含有重合性化合物と重合性
化合物の組成比と屈折率から推定した体積ホログラム光
学素子の高分子化合物の屈折率も同時に示す。ここで
は、体積ホログラム光学素子の反射率特性評価の目安と
して、反射率３０％未満を×、３０％〜５０％未満を
△、５０％〜７０％未満を○、７０％以上を◎とした。

【００２３】

【表１】 表１に示すように、本発明の実施例１および２の場合
は、比較例１および２の場合よりも反射率が向上してい
ることが分かる。

【００２４】

【発明の効果】本発明の体積ホログラム光学素子は、上
記の構成を有することにより、高い反射率を有し、ディ
スプレイおよびダイクロイックミラー等の光学素子とし
て使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 体積ホログラム光学素子の模式的断面図であ
り、（ａ）は電圧オフの場合、（ｂ）は電圧オンの場合
を示す。

【符号の説明】

１…透明基板、２…透明電極、３…高分子層、４…高分
子液晶層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 貞一 神奈川県南足柄市竹松1600番地 富士ゼロ ックス株式会社内 (72)発明者 佐川 清水 神奈川県南足柄市竹松1600番地 富士ゼロ ックス株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高分子化合物よりなる高分子層と高分子
   化合物中に液晶が分散した高分子液晶層とが交互に積層
   された構造を有する液晶・高分子複合膜素子よりなる体
   積ホログラム光学素子において、該高分子化合物が少な
   くともフッ素含有重合性化合物をモノマー成分として含
   む高分子化合物であることを特徴とする体積ホログラム
   光学素子。
2. 【請求項２】 液晶・高分子複合膜素子が２枚の電極板
   で挟持されていることを特徴とする請求項１記載の体積
   ホログラム光学素子。